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Indústria 4.0 e Biotecnologia: o encontro tecnológico do século

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Indústria 4.0

“Um conjunto de tecnologias para fluxo de informação, automação e manufatura voltados para o avanço de processos industriais envolvendo: operação, engenharia, planejamento e controle de produção, logística e análise contínua durante todo o ciclo de vida de um produto” 1

 

Essa foi a primeira definição do conceito Industria 4.0, criado no Instituto Fraunhofer-Gesellshaft, na Alemanha (2011), sendo também o marco que inaugura a chamada Quarta Revolução Industrial.

 

Apesar de ter sofrido algumas mudanças ao longo dos anos, essa primeira definição evidencia uma das características mais marcantes da Indústria 4.0, a integração de ferramentas e processos de diferentes elos da cadeia de valor de um produto ou serviço. Através de dessa integração vêm as abordagens conhecidas como engenharia ponta-a-ponta (do inglês end-to-end engineering), que visam dar à indústria a capacidade de customização em massa de seus produtos e serviços.

 

Por sua vez, a engenharia ponta-a-ponta só é viabilizada por dois outros processos de integração, chamado de integração vertical e horizontal. A integração vertical se refere a forte presença de sistemas de manufaturas flexíveis e reconfiguráveis integrados com sistemas empresariais. Enquanto que, a integração horizontal envolve a valorização da colaboração criativa entre empresas por meio da integração de ambientes físicos, intelectuais, energéticos ou financeiros. 2, 3

 

Se construindo sobre tais fundamentos, a Indústria 4.0 tem se provado como um terreno fértil para o surgimento de muitas tecnologias inovadoras e, às vezes,  até disruptivas. Dentre os muitos exemplos de tais tecnologias é importante destacar:

 

Computação em nuvem (cloud computing): soluções rápidas e flexíveis para o armazenamento de dados e capacidade computacional através da internet.

 

Gêmeos digitais (digital twins): cópia digital de um objeto ou processo habilitando a simulação virtual destes como ferramenta preditiva planejamento.

 

Internet das coisas (Internet of things): conexão de objetos e a transferências de dados sem intervenção, explorando a conectividade por internet e tecnologias wireless.

 

Análises de Big Data: soluções para coleta, armazenamento, integração, e análise de um enorme volume de dados gerados por ambientes e equipamentos sensorizados.

 

Sistemas ciberfísicos (Cyber-physic systems): sistemas computacionais de alta interação entre software e objeto físico voltados para o controle e monitoramento do referido objeto físico.

 

Robôs autônomos: robôs com alta capacidade de execução autônoma de tarefas complexas usados em linhas de produção.

 

Fundindo o digital, o físico e o biológico

“A Quarta Revolução Industrial não é apenas sobre as máquinas e sistemas conectados e inteligentes. Seu escopo é muito mais amplo. Simultaneamente, estão ocorrendo ondas de novos avanços nas áreas desde sequenciamento genético até nanotecnologia, desde renováveis até computação quântica. É a fusão dessas tecnologias e suas interações nos domínios físico, digital e biológico que fazem da quarta revolução industrial fundamentalmente diferente das revoluções anteriores”. (Klaus Schwab, presidente executivo do Forum Econômico Mundial)4

 

Alguns anos depois da inauguração da Quarta Revolução Industrial, novos encontros tecnológicos possibilitam o desenho de um horizonte industrial para além da digitalização. Segundo Schwab, é a mistura das tecnologias biológicas com as tecnologias digital-físico que formarão o combustível da próxima onda industrial.

 

Apesar do anúncio de novas tecnologias e descobertas científicas já ser parte do cotidiano nas áreas biológicas, em particular na biotecnologia, as atividades de empresas e entidades de pesquisa na área ainda carecem de ferramentas laboratoriais dignas de uma Indústria 4.0. Somente através desse encontro tecnológico é que indústria como a biotecnológica poderão experimentar largos avanços em sua produtividade e qualidade, tal como vivido pelas indústrias de manufatura e serviços.

 

Alavancando a Biotecnologia com ferramentas da Indústria 4.0

O desenvolvimento da biotecnologia sem dúvida revolucionou a vida como a conhecemos. Apenas para ilustrar sua importância, a descoberta do primeiro antibiótico, a penicilina, por Alexander Fleming, em 1928, mudou para sempre o campo da medicina e os horizontes da longevidade humana. Desde então, a biotecnologia tem se difundido por muitos setores industriais, apresentando contribuições significativas nas indústrias de mineração, agricultura, alimentos, fármacos, manufatura, entre outros.

 

Apesar de ter contribuído de forma notável para o avanço de inúmeras indústrias, a biotecnologia ainda apresenta incontáveis desafios tecnológicos, muitos dos quais podem ser superados através da integração com as ferramentas da Industria 4.0.

Dados demais, ferramentas de menos

Um dos desafios mais importantes da biotecnologia nos últimos tempos tem sido propor formas de lidar com o enorme e crescente volume de dados sendo gerados a partir do sequenciamento de genomas — resultado da queda de mais de 10 000 000 % no preço do sequenciamento de 2000 para 2020. Tome, por exemplo, o projeto Earth Biogenome, cujo objetivo é sequenciar o genoma de todos os animais e plantas do planeta Terra em 10 anos. 5, 6

 

Nesse caso, a implementação de novas ferramentas de armazenamento e processamento de uma grande quantidade de dados será fundamental, tais como aquelas oferecidas pelas tecnologias de Big Data e Computação em nuvem. Somente através de tal implementação é que se poderá extrair informações úteis para o desenvolvimento de novos processos e produtos.

 

São exemplos de aplicação dessas informações englobam o desenvolvimento de novos fármacos, rotas inéditas síntese biológica de compostos químicos (incluindo todos os compostos da cadeia petroquímica), alimentos com composição nutricional melhorada, tecnologias de descontaminação de águas e resíduos industrias, substituição de tratamentos químicos de tecidos e papel por processos biológicos limpos.8

Processos complexos de difícil reprodução

Os processos biotecnológicos, tanto em escala laboratorial como em escala industrial, são particularmente complexos, envolvendo inúmeras variáveis correlacionadas. Por esse motivo, a padronização e reprodutibilidade de processos biotecnológicos é outro de seus grandes desafios. Tomemos por exemplo o estudo divulgado pela revista Nature em 2016, que diz que 70% dos pesquisadores entrevistados tentou sem sucesso reproduzir experimentos de documentados por outros cientistas em artigos ou livros. 9

 

Esse desafio é também uma oportunidade para a aplicação de diversas ferramentas da Indústria 4.0. Um primeiro exemplo é a implementação de sistemas ciberfísicos capazes de monitorar e controlar uma linha de produção, para garantir maior padronização dos processos e seus produtos.

 

Adicionalmente, a tecnologia de gêmeos digitais pode contribuir com uma melhor capacidade preditiva sobre os processos biotecnológicos, possibilitando inclusive modificações para lidar com variações das condições produtivas, tal como a troca de insumos de produção.

Paralelização de atividades de P&D

Por fim, o desenvolvimento de novos produtos biotecnológicos demanda experimentação contínua e exaustiva. Na indústria de defensivos agrícolas, por exemplo, para que um único produto seja registrado é preciso testar cerca de 159000 moléculas candidatas, sendo que, cada uma dessas moléculas é testada sob diversas condições experimentais com no mínimo três réplicas.7

 

A implementação de infraestruturas de P&D automatizadas e com robôs autônomos é, sem dúvida, uma contribuição importante que a Indústria 4.0 tem para com a biotecnologia. Tal contribuição permitirá a paralelização e execução simultânea das atividades envolvidas no desenvolvimento de novos produtos, representando um avanço imensurável, não só para diversas indústrias, mas também para a qualidade de vida dos consumidores.

 

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Referências:

1 – da Silva, GJ. Biotechnology and Industry 4.0: The professionals of the future. International Journal of Advances in Medical Biotechnology. 2019

2 – Zhou K, Liu T, Zhou L. Industry 4.0: Towards future industrial opportunities and challenges. 12th International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery. 2015

3 – Kagermann H, Wahlster W, Helbig J. Securing the future of German manufactorins industry Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0 Final report of the Industrie 4.0 working group. 2013

4 – Schwab K, The Fourth Industrial Revolution. World Economic Forum. 2016

5- https://www.genome.gov/about-genomics/fact-sheets/Sequencing-Human-Genome-cost

6 – https://www.earthbiogenome.org/goals

7 – https://croplife.org/wp-content/uploads/2016/04/Cost-of-CP-report-FINAL.pdf

8 – https://reader.elsevier.com/reader/sd/pii/S2001037020304335?token=64DE577FBE41C9951FCCE2E52015AD94FE5D275FDD7D609734350E9D2BEB093AE4DA83A6454836DFC21A93EA51E912C2

9 – Barker M. 1,500 scientis lift the lid on reproduc

 

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